Bij de zwaartekracht zou een deeltje moeten horen – en naar verwachting weegt dat deeltje niets. Toch heeft een team van Franse sterrenkundigen de mogelijkheid bekeken dat het een heel kleine massa heeft.
In onze huidige natuurwetten beschrijven we de zwaartekracht met Einsteins algemene relativiteitstheorie. Een object met een massa kromt de ruimtetijd, en die kromming van de ruimtetijd dicteert hoe andere objecten bewegen. Alle andere krachten in het heelal beschrijven we echter in termen van deeltjes die worden uitgewisseld. Zouden we de zwaartekracht diezelfde behandeling kunnen geven? En zo ja, om wat voor soort deeltje zou het dan gaan?
Het antwoord op de eerste vraag is: misschien, maar we weten niet hoe. Het is vooralsnog niet gelukt om de zwaartekracht te vangen in een deeltjestheorie. Toch hebben we al een naam voor het deeltje dat de zwaartekracht zou moeten communiceren: het graviton. Maar dat deeltje is nog nooit waargenomen – en het ziet er ook niet naar uit dat dat binnen afzienbare tijd zal gebeuren.
‘Als we iets buitenaards ontmoeten, dan is het een machine’
Oude sterren en pril leven – dat zijn de onderwerpen waar het hart van sterrenkundige Leen Decin harder van gaat kloppen.
Wel ligt het voor de hand dat het om een deeltje zonder massa zou gaan. Voor zover we weten, beweegt de zwaartekracht zich namelijk met de snelheid van het licht door het heelal. En die snelheid is alleen weggelegd voor deeltjes zonder massa – zoals fotonen, de deeltjes waar licht uit bestaat. Deeltjes mét een massa zijn gedoemd om altijd trager dan het licht te bewegen.
Ook lijkt de zwaartekracht een onbeperkt bereik te hebben. Als in: de aantrekkingskracht van een voorwerp met een massa wordt weliswaar steeds zwakker naarmate je er verder vandaan beweegt, maar hij wordt niet op een bepaalde afstand ineens nul. En ook voor zo’n ‘oneindig’ bereik heb je een massaloos deeltje nodig.
Niet zo exotisch
Tenminste… Dat is hoe we dénken dat het zit. Uiteindelijk zul je ook experimenteel vast moeten stellen dat de zwaartekracht een onbeperkt bereik heeft – en het graviton dus geen massa. En daarop hebben sterrenkundige Léo Bernus van het Observatorium van Parijs en collega’s zich gestort.
Nu zijn er meerdere manieren om te proberen een bovengrens te vinden voor het graviton. Je kunt bijvoorbeeld kijken naar zwaartekrachtsgolven, of naar de uitdijing van het heelal. Maar de methode waar het hier om gaat, is een stuk minder exotisch. Hierin staat namelijk ons eigen, vertrouwde zonnestelsel centraal.
Als het graviton iets weegt in plaats van niets, zo bedacht theoretisch natuurkundige Clifford Will alweer twintig jaar geleden, dan zou dat namelijk gevolgen hebben voor de bewegingen van planeten. Vorig jaar kwam Will er eindelijk aan toe de proef op te som te nemen. Zijn conclusie, gebaseerd op de baan van Mars: áls het graviton al een massa heeft, dan moet die kleiner zijn dan een honderdste van een triljoenste van een triljoenste van een triljoenste van een gram. Of, in de eenheid waar deeltjesfysici de voorkeur aan geven: kleiner dan 10-23 elektronvolt. (Ter vergelijking: het lichtste deeltje dat we nu kennen, het neutrino, weegt ongeveer 1 elektronvolt.)
Probleem is alleen, zo zegt Bernus nu, dat Will de methode niet goed toepaste. Als het graviton een minuscule massa heeft, dan leidt dat tot allerlei bijeffecten die Will niet meenam. Oftewel: Will bekeek de mogelijkheid van een graviton mét massa, maar deed tegelijkertijd alsof het deeltje géén massa had.
Bernus heeft dat euvel nu aangepakt met een sterrenkundig programma, INPOP genaamd, dat de massa van het graviton wél laat doorwerken op alle andere waardes. En daar komt een andere maximale massa voor het graviton uit: 7,45 maal 10-23 elektronvolt. Oftewel: een stukje hoger dan de massa waar Will op uitkwam.
Kunst- en vliegwerk
Bert Schellekens, als theoretisch natuurkundige verbonden aan het Nederlandse deeltjesinstituut Nikhef, vind het op zich niet verkeerd om te bekijken of het graviton toch een massa zou kunnen hebben. ‘Als je dat eenvoudig kunt meten, zou ik dat zeker doen. Maar als iemand een experiment zou voorstellen dat een paar miljoen kost – dan niet.’
Theoretisch gezien lijkt een graviton met een massa hem echter ‘bijzonder onaantrekkelijk’. ‘De algemene relativiteitstheorie, waar we allemaal heel tevreden over zijn, voorspelt dat het graviton een massa van nul heeft. Er is heel wat kunst- en vliegwerk nodig om daar onderuit te komen – al wordt dat wel geprobeerd.’
Mocht de massa tóch niet nul zijn, dan kan dat van alles betekenen, zegt Schellekens. ‘Maar het zou hoe dan ook een enorm belangrijke ontdekking zijn.’
